CN112350971B - 一种用于隐蔽通信的码域索引调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于新型物理层安全技术领域，具体来说是提出了一种用于隐蔽通信的码域索引调制方法，本发明涉及隐蔽通信、索引调制、扩频码与交织器等理论知识框架，本发明研究利用交织码和扩展码的索引来实现信息隐藏。具体来说，首先设计提供了一个通信框架，包括扩频码交织器选择和检测器；然后在框架中提出利用扩频码和交织器特性优化系统的性能，以提高可达到的误码率；考虑了此系统与传统通信系统的差异并且利用支持向量机(SVM)扩展接收端检测部分。总体上，与传统编码无线通信系统相比，本发明能够显著提高系统的误码性能。此外，还发现该方案可以实现有效的隐蔽传输，是一种很有吸引力的信息隐藏技术。

Description

一种用于隐蔽通信的码域索引调制方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体来说是一种用于隐蔽通信的码域索引调制方法。

背景技术

无线通信网络中，对信息进行隐蔽传输是研究的关键问题。在传统的安全通信方案中，机密信息的传输主要是依赖于上层的基于密钥的加密技术。然而，这种安全技术普遍存在计算复杂度高、开销大的局限性。此外，随着强大计算设备的出现，它们变得容易受到攻击。为了解决这一问题，物理层安全技术因其在增强信息安全方面的显著性能而受到人们的关注，该技术主要利用无线通信的动态特性，如随机信道、噪声和干扰等特性来实现安全传输。随着传输速率的提高，保密和可靠传输变得非常重要。

索引调制(IM)是一种很具吸引力的增加安全性的方法，它可以利用传输资源的索引来隐蔽传输附加信息。可以利用时间、频率、天线以及编码方式及其混合组合的索引进行隐蔽传输。因此，IM有很多种类型，如空间调制(SM)，载波索引调制OFDM(OFDM-IM)，它们利用天线指数和载波指数来传递信息。基于索引调制在隐蔽传输中的优点，提出了一种新的域——扩频码域，其目的是隐藏一些关于扩频码索引的信息。该系统称为扩频码索引调制技术(CIM-SS)，可以与MIMO或SM系统集成以获得更高的吞吐率。

因此，利用不同索引进行隐蔽传输的新型物理层安全技术值得深入研究。

发明内容

本发明的目的，就是针对目前对于增强信息安全传输的要求，提出了一种用于隐蔽通信的新型码域索引调制(CDIM)的物理层安全传输方案，在CDIM中，通过部分信息传输位来激活特定的扩频码和交织器，并且特定的扩频码和交织器本身的索引同时隐蔽传输部分信息。并基于扩频码和交织器的特性，提出了在已知接收方信道信息(CSI)的情况下最小化符号误码率的优化方案。

在本发明中，提出的隐蔽码域索引调制(CDIM)方案在加性高斯白噪声(AWGN)信道上通信，将传输信息从输入端分割成三个部分：扩频码索引位、信息传输位和交织器索引位，并且沿着一个符号周期{T_c}进行传输。首先，用log₂(M)个扩频码索引位激活M个扩频码中的一个；其次，用log₂(N)交织器索引位激活N个交织器中的一个，最后用剩下log₂(L)信息位激活L-PSK星座点中的一个。即将总信息比特b分为log₂(M)、log₂(N)和log₂(L)三个部分。之后在加性高斯白噪声(AWGN)信道进行通信，最后在接收端利用ML检测将扩频码索引、交织器索引和传输信息检测出来。

本发明的技术方案是：一种用于隐蔽通信的新型码域索引调制技术的通信方法，其特征在于，输入信息比特部分用于激活扩频码和交织器，并且同时利用扩频码和交织器索引传输部分信息，以加性高斯白噪声为信道模型，采用ML检测对接收信息进行检测，具体包括以下步骤：

S1、将传输信息从输入端分割成三个部分：扩频码索引位、信息传输位和交织器索引位，并且沿着一个符号周期{T_c}进行传输；

S2、用log₂(M)个扩频码索引位激活M个扩频码中的一个；其次，用log₂(N)个交织器索引位激活N个交织器中的一个，最后用剩下log₂(L)信息位激活L-PSK星座点中的一个，其中L表示使用L进制调制信号。即将总信息比特b分为log₂(M)、log₂(N)和log₂(L)三个部分；

S3、通过扩频码扩展的QPSK符号序列通过I和Q分量进行传输，并通过交织器进行交织。因此，可以将传输信号g(t)表示为：

g(t)＝π_n[S_Ic_iq(t-T_c)cos(2πf_ct)+S_Qc_iq(t-T_c)sin(2πf_ct)] (1)

其中S_I，S_Q∈{±1}分别是在I和Q信道中传输的QPSK符号，q(t)为[0,T_c]上的单位矩形脉冲整形滤波器，其中T_c为扩频码的周期，f_c为载频。c_i＝[c_i,1,c_i,2,...,c_i,K]^T,i∈{1,2,...,M}是扩频码的索引选择，其中每个扩频码的长度为K；π_n,n∈{1,2,...,N}是交织器索引选择。

S4、在接收端经过完美的载波估计和基带噪声后，接收到的信号表示为：

y(t)＝hg(t)+n(t) (2)

其中n(t)～N(0,N₀/2)为均值为0方差为N₀/2的AWGN，h代表表示信道系数。

S5、通过(2)，接收端ML检测信号可以表示为：

其中Ω表示

个合法的交织器和扩频码组合。需要注意的是，有三部分信息符号需要检测，通过(3)ML检测可以写为：

其中

表示合法的QPSK星座集合，

和

分别表示检测到的交织器索引位和扩频码索引位。x_i,j(t)表示检测到的ML符号。

通过(4)，ML译码方案的步骤总结为：

(1)指定一个初始的误差D_ML

(2)找出所有可能的

个扩频码和交织器索引的组合。在

次内执行以下步骤：

①在所有

计算

1)如果

更新

并算出

2)如果

则更新交织器索引和扩频码索引

并返回(1)重新计算所有的

②对

个合法的交织器和扩频码组合重复步骤(2)之后，得出

为最终被检测的符号，可以对检测到的交织器和扩频码索引

进行反映射。

下面对本发明方案的性能进行分析：

基于扩频码和交织器的特性，提出了在已知接收方CSI的情况下最小化符号误码率的优化方案，该系统的错误率为：

P_b2＝P_b1+P_c+P_i (5)

其中P_c和P_i分别是扩频码和交织器的误码率，P_b1是MQAM误码率。

定义一个参数来判断扩展码的性能，并通过使用不同的扩频码来分析所提出的系统性能。

在接收端，高斯白噪声和其他未选择的扩频码信息构成了总干扰P_c，将P_c重新写为：

其中

为扩频码的周期性相关函数，E为传输信号能量。

扩频码的设计直接影响系统的平均误码率p_c，选择性能好的扩频码，可以通过计算如下的扩频码的周期性交叉相关函数，

C_max＝max(C_a,C_b) (7)

C_max可以用来比较不同扩频码的性能。计算了几种扩频码集的C_max，并将其应用到本系统中。下表总结计算出的扩频码的最大偶相关值：

表1.扩频码的最大偶相关值

扩频码	Walsh码	Walsh-like码	Gold码
				C<sub>max</sub>	0	5	12

本发明所提出的系统中，应该使不同的交织器之间的差值最大化，通过交织器使序列差值最大化。将p_i定义为SNR的函数，写成

一般情况下，f(·)可以不以闭合的形式表示，但可以通过蒙特卡洛方法获得，只需要对AWGN信道中特定SNR的单个交织器做解码仿真即可。SNR可以表示为：

其中V_ξk≈E(ξ_k(t)-E(ξ_k(t))²),ξ_k(t)代表解码扩频后的信号。{ξ_k(t)-E(ξ_k(t))}表示信号失真的部分，与系统中每个交织器的有效数据信息之间的多重接入干扰有关。多重接入干扰取决于多个交织器之间的相关性。相关性越弱，干扰越强。

设π_i，π_j为两个交织器，u和v为两个向量作为输入信号。假设f(u)和f(v)是扩频后的u和v，π_i(f(u))和π_j(f(v))是交织后的。定义π_i和π_j互为向量内积的依赖关系为

C(π_i,u,π_j,v)＝＜π_i(f(u)),π_j(f(v))> (11)

正交交错器的向量内积为C(π_i,u,π_j,v)＝<π_i(f(u)),π_j(f(v))>＝0利用交错器的向量内积，可以判断出交错器的相关值。结果越大，相关性越强，交织器的差异越小。

本发明系统使用了正交交织器(OI)、随机交织器(RI)、伪随机交织器(PRI)和基于素数对的交织器(IBOPN)，它们的相关性计算见表2：

表2.几组交织器的C(π_i,u,π_j,v)

交织器	OI	RI	PRI	IBOPN
					C(π<sub>i</sub>,u,π<sub>j</sub>,v)	0	982	404	624

实现传统系统与提出的系统的比较，研究两种系统在传输相同比特时的误码率，传统系统中使用64QAM，同时指定了交织器和扩频码，以达到与提出的系统相同的比特率，即用交织器索引2比特，用扩频码索引2比特传输QPSK符号传输2比特。在传统系统中，传输的信息经过指定的扩频码和交织器后被64QAM调制，也就是说扩频码和交织器不用于传输比特信息。

利用支持向量机进行分类的原理，对基于交织扩频的新型隐蔽索引技术系统中扩频码、交织器的索引和传输调制符号进行检测。

本发明的有益效果为，将交织和码域索引调制相结合，提出了一种用于隐蔽通信的码域索引调制(CDIM)方案，具有良好的误码性能和较高的数据传输速率，是一种很有前途的通信技术。计算机仿真结果表明，该系统在使用不同类型的交织器和扩频码时性能良好。此外，计算机仿真结果表明，该系统比传统系统具有更好的误差性能。在AWGN信道上评估该系统的性能。仿真结果表明，当不同扩频码和交织器间的热噪声为加性高斯白噪声(AWGN)时，所提出的支持向量机结构的检测性能非常接近于最优的最大似然检测性能。

附图说明

图1为本发明的系统模型示意图；

图2为本发明与传统方案误码率性能对比仿真示意图；

图3为本发明使用不同交织器误码率性能对比仿真示意图；

图4为本发明使用不同扩频码时误码率性能对比仿真示意图；

图5为本发明在使用ML检测和SVM检测的误码率性能对比仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图和仿真示例，对本发明的实用性和有效性进行说明：

计算机模拟了在AWGN信道上的QPSK调制。在接收机中，ML检测用于确定交织器索引和扩频码索引。信噪比定义为SNR(dB)＝10log₁₀(E_b/N₀)，其中

为平均能量和χ为一个符号的比特数；另外，交织器只改变排列顺序对E_b没有影响，使用扩频码

标准化，使得K＝32仿真时传输功率保持不变。该技术采用交织器索引传输2比特，扩展码索引传输2比特，QPSK符号传输2比特。在使用正交交织器的前提下，通过改变扩展码的类型，分析了该系统的性能。

图2为本发明与传统方案误码率性能对比示意图；

图3给出了不同类型交织器在χ＝6时的平均BER性能比较曲线，交织器类型分别为正交交织器(OI)、随机交织器(RI)、伪随机交织器(PRI)和基于素数对交织器(IBOPN)。从图3可以看出，不同交织器的系统性能会有所不同。当信噪比为11dB时，正交交织器的误码率为10^-4，始终是四个交织器中最好的。随着信噪比的增加，误码率性能的差异会减小。图4给出了使用不同扩频码时的平均误码率性能对比曲线，扩频码的类型分别为Walsh、Walsh-like和Gold。从图4可以看出，在不同的扩频码下，系统的性能会有所不同。Walsh码的误码率性能一直是三种扩频码中最好的，随着信噪比的增加，误码率性能的差异会减小。

图5显示了SVM与原始检测技术的误码率性能的差异。可以发现支持向量机的误码率性能略低于原始检测技术。但由于神经网络的优点，它也可以作为一个新的研究方向。

Claims (1)

1.一种用于隐蔽通信的码域索引调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将传输信息在输入端分割成三个部分：扩频码索引位、信息传输位和交织器索引位，并且沿着一个符号周期{T_c}进行传输；

S2、用log₂(M)个扩频码索引位激活M个扩频码中的一个，用log₂(N)个交织器索引位激活N个交织器中的一个，用剩下的log₂(L)信息位激活L-PSK星座点中的一个，其中L表示使用L进制调制信号，即将总信息比特b分为log₂(M)、log₂(N)和log₂(L)三个部分；

S3、通过扩频码扩展的QPSK符号序列通过I和Q分量进行传输，并通过交织器进行交织，将传输信号g(t)表示为：

g(t)＝π_n[S_Ic_iq(t-T_C)cos(2πf_ct)+S_Qc_iq(t-T_C)sin(2πf_ct)] (公式1)

其中S_I，S_Q∈{±1}分别是在I和Q信道中传输的QPSK符号，q(t)为[0,T_C]上的单位矩形脉冲整形滤波器，其中T_c为扩频码的周期，f_c为载频，c_i＝[c_i,1,c_i,2,...,c_i,K]^T,i∈{1,2,...,M}是扩频码的索引选择，其中每个扩频码的长度为K，π_n,n∈{1,2,...,N}是交织器索引选择；

S4、在接收端经过完美的载波估计和基带噪声后，接收到的信号表示为：

y(t)＝hg(t)+n(t) (公式2)

其中n(t)～N(0,N₀/2)为均值为0方差为N₀/2的AWGN，h代表表示信道系数；

S5、通过公式2，接收端ML检测信号可以表示为：

其中Ω表示

个合法的交织器和扩频码组合，通过公式3，ML检测为：

其中

表示合法的QPSK星座集合，

和

分别表示检测到的交织器索引位和扩频码索引位，x_i,j(t)表示检测到的ML符号；

通过公式4，ML译码的步骤为：

1.指定一个初始的误差D_ML；

2.找出所有可能的

个扩频码和交织器索引的组合，在

次内执行以下步骤：

(1)在所有

计算

①如果

更新

并算出

②如果

则更新交织器索引和扩频码索引

并返回(1)重新计算

3.对

个合法的交织器和扩频码组合重复步骤2之后，得出

为最终被检测的符号，对检测到的交织器和扩频码索引

进行反映射。

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